Диссертация (1137078), страница 19
Текст из файла (страница 19)
4.14. Схема для расчета собственной емкости ключа.Таким образом, собственная емкость относительно корпуса твердотельныхключей, состоящих из большого количества транзисторов, не зависит от числаячеек. Следует отметить, что с увеличением числа транзисторов в ключе припостоянном напряжении питания уменьшается напряжение, прикладываемое квыходным электродам отдельных транзисторов. Емкость CВЫХ-eff, как правило,увеличивается с уменьшением этого напряжения, что в конечном итоге можетпривести к увеличению емкости ключа при увеличении числа ячеек и увеличениюдинамических потерь в ключе.Рассчитаем электрический заряд, накопленный в схеме при заряде цепочкиконденсаторов до напряжения UPS, как: Qк=Cк·UPS, где Cк - собственная емкостьключа.
Как видно из рисунка 4.13, каждая добавленная ячейка уменьшаетсобственную емкость ключа, поэтому представим схему рисунке 4.12 в видепоследовательно включенных конденсаторов (см. рисунок 4.15).119Рис. 4.15. Эквивалентная схема для расчета напряжений, прикладываемых кячейкам ключа.Здесь емкость Cx(N) равна некоторой добавочной емкости (эквивалентнойемкости ячейки), которую необходимо подключить последовательно к ключу,состоящему из (N-1) ячейки, чтобысуммарная емкость была равна емкости,рассчитанной по формуле (4.11). Тогда Cx(N) рассчитываются следующимобразом:Ck ( N ) Ck ( N 1) C x ( N ) Ck ( N ) Ck ( N 1) C x ( N ) Ck ( N 1) C x ( N ) Ck ( N 1) C x ( N )Ck (N) Ck (N 1) Ck (N 1) Cx (N) Ck (N) Cx (N) Ck (N) Ck ( N 1) Ck (N 1) Ck (N) Cx (N) Cx (N ) C k ( N ) C k ( N 1)C k ( N 1) C k ( N ) .На рисунке 4.16 приведен график зависимости Cx(N) для случая CВЫХ-eff=100пФ при нескольких значениях паразитной емкости транзисторов на корпус.Напряжение, прикладываемое к каждому конденсатору Cx(N) (ячейкеключа), рассчитывается по формуле: U(N)=Qk/Cx(N).
На рис. 4.17 приведенграфик U(N) в относительных величинах для случая Cвых(эфф.)=100 пФ и N=30 дляразных значений паразитной емкости ячеек на корпус. UDSсредн=UPS/N - среднеенапряжение, прикладываемое к ячейке модулятора.120Рис. 4.16.
Зависимость величины добавочных емкостей от номера ячейки.Рис. 4.17. Зависимость напряжения, прикладываемого к ячейке, от ее номера.Несмотря на то, что приведенный расчет является упрощенным, онпозволяет сделать вывод, что при наличии паразитной емкости ячеек модуляторана корпус напряжение, прикладываемое к выходным клеммам транзисторов,сильно зависит от места их расположения в ключе и величины паразитнойемкости ячеек ключа на корпус.121Отметим, что напряжения, установившиеся на транзисторах послеформирования фронта и спада импульса, постепенно изменяются и стремятся кнапряжениям, определяемым внутренними сопротивлениями транзисторов взакрытом режиме. Этот процесс происходит с постоянной времени перезарядавыходныхемкостейтранзисторовчерезвнутренниесопротивленияtпер=RP· Cвых(эфф.), и может продолжаться от 100 мкс до 0,5 с. Таким образом, еслипериод повторения импульсов T (для зарядного ключа при формировании фронтаимпульса)илидлительностьимпульсаtи(дляразрядногоключаприформировании спада импульса) много меньше величины tпер, то можно считать,что распределение напряжений, установившееся на транзисторах ключа после егозакрытия, будет сохраняться до следующего переключения ключа.Величина напряжений, прикладываемых к транзисторам в закрытомсостоянии, определяется значением паразитной емкости на корпус и выходнымиемкостями транзисторов.
Чем больше значение емкости на корпус, тем большеразница напряжений между крайними ячейками ключа. Величина паразитнойемкости ячеек на корпус может иметь значения 0,2...20 пФ и определяетсяконструкцией модулятора (см. раздел 4.1.5).Более точная зависимость напряжений, прикладываемых к транзисторамключа, от номера ячейки, получается при численном расчете с использованиемматематической модели модулятора (рисунок 3.2). Как видно из рисунков 4.6 и4.10, напряжения на транзисторах после формирования фронта и спада импульсаустанавливаются в течении времени, определяемого параметрами нагрузки ивеличинами токоограничивающих цепей.
Поэтому эти напряжения необходимоизмерять только после завершения всех переходных процессов. Из приведенныхграфиков (рисунки 4.3-4.10) видно, что для рассматриваемого случая длязарядного ключа переходные процессы можно считать завершившимися через200 нс после окончания импульса, а для разрядного ключа через 200 нс послеформированияфронтаимпульса.Поэтомуфиксироватьнапряжения,прикладываемые к транзисторам соответствующих ключей, будем в указанныевыше моменты времени.122Рис. 4.18. Зависимость падения напряжения на ячейке от ее номера.Рис. 4.19.
Зависимость энергии, рассеиваемой ячейкой при переключении, от ееномера.На рис. 4.18 приведены полученные численно для модели модуляторазависимостиустановившегосязначениянапряжения,прикладываемогоквыходным электродам транзисторов модулятора, от номера ячейки при разныхзначениях паразитной емкости ячеек на корпус.Из рисунков видно, что к ячейкам, располагающимся ближе к нагрузке,прикладывается большее напряжение.
Если эти напряжения достигают порога123ограничения защитных диодов, то через диоды начинает протекать активный ток.Происходит увеличение напряжения, прикладываемого к последующим ячейкам.При замыкании транзисторов в них рассеивается энергия, запасенная в выходнойемкости транзистора, пропорциональная квадрату напряжения, прикладываемогок транзистору в момент открытия.
Для транзисторов, располагающихся ближе кнагрузке, эта энергия оказывается больше, чем для остальных. В результатеячейки модулятора, располагающиеся ближе к нагрузке, будут нагреватьсябольше, появится градиент температур. На рис. 4.19 приведены численнополученные графики зависимостей энергии, рассеиваемой ячейками зарядногоключа во время формирования фронта импульса и ячейками разрядного ключа вовремя формирования спада импульса, от номера ячейки для разных значенийпаразитной емкости ячеек на корпус.Значительный перегрев отдельных ячеек модулятора может существенноограничить максимальную частоту повторения формируемых импульсов, так какмощность потерь при переключении модулятора прямо пропорциональна частотеповторенияимпульсов.Притепловыхрасчетахмодулятора необходимоучитывать такое распределение рассеиваемых ячейками энергий.С целью устранения различий напряжений, прикладываемых к ячейкаммодулятора, и энергий, рассеиваемых ими при переключении, а также повышенияпредельной частоты повторения импульсов необходимо проводить выравниваниеэтих напряжений.
Одним из возможных способов устранения различийнапряжений, прикладываемых к ячейкам модулятора, вызванных наличиемпаразитной емкости ячеек на корпус, является введение дополнительныхемкостей, подключаемых параллельно транзисторам. Величина этих емкостейзависит от места расположения транзистора в ключе и величин его паразитнойемкости на корпус модулятора и эффективной выходной емкости [47].Рассмотрим этот способ подробнее.1244.2.2 Устранение разброса напряжений, прикладываемых к отдельнымтранзисторам модулятора, с помощью добавочных емкостейДлясхемырисунок4.12поставимусловие,чтонапряжения,прикладываемые к ячейкам ключа, должны быть равны друг другу.
Добиватьсяравенства этих напряжений будем изменением величин выходных емкостей ячеек.В этом случае каждая очередная ячейка, подключаемая к ключу, должна иметьвыходную емкость, рассчитываемую, исходя из текущей емкости ключа иколичества уже имеющихся ячеек. В результате приходим к рекурентномувыражению:CВЫХ (N) Ck (N 1) (N 1) .(4.13)Исходя из этого, емкость ключа, состоящего из N ячеек, можно определитькак:Ck (N) Ck (N 1) (N 1)/ N CGND .(4.14)Зная, что величина выходной емкости первой ячейки не изменяется и равнаCвых(eff.), выражения (4.13), (4.14) можно преобразовать из рекуррентной формы кобычной:CВЫХ ( N ) 0,5 CGND ( N 1/ 2)2 CВЫХ eff ,C k ( N ) C ВЫХ ( N ) / N C GND 0, 5 C GND ( N 1 / 2) 2 C ВЫХ eff / N C GND .(4.15)(4.16)Таким образом параллельно ячейкам ключа необходимо подключатьдополнительные емкости, величины которых рассчитываются по формуле:C ДОП ( N ) CВЫХ ( N ) CВЫХ eff 0,5 CGND ( N 1/ 2) 2 .(4.17)На рисунках 4.20, 4.21 приведены зависимости собственной емкости ключа,а также величины добавочной емкости от числа ячеек в ключе при Cвых(eff.)=100 пФдля нескольких величин паразитной емкости ячеек на корпус.125Рис.
4.20. Зависимость емкости ключа от числа ячеек.Рис. 4.21. Зависимость величины добавочных емкостей от номера ячейки ключа.На рис. 4.22 приведены численно полученные зависимости напряжений,прикладываемых к выходным электродам транзисторов модулятора послеформирования спада импульса (для зарядного ключа) и после формированияфронта импульса (для разрядного ключа), от номера ячейки для несколькихзначений паразитной емкости ячеек на корпус при использовании добавочныхемкостей. Как видно из рисунка, эти напряжения практически одинаковы для всехзначений паразитных емкостей ячеек на корпус.
Различия составляют менее 0,1%(без выравнивания более 30%).126Рис. 4.22. Зависимость падения напряжения на ячейке от ее номера.Рис. 4.23. Зависимость энергии, рассеиваемой ячейкой при переключении, отее номера.На рис. 4.23 приведены графики численно рассчитанных зависимостейэнергии, рассеиваемой ячейками зарядного ключа во время формирования фронтаимпульса и ячейками разрядного ключа во время формирования спада импульса,от номера ячейки для разных значений паразитной емкости ячеек на корпус и127использованиидобавочныхемкостей.Энергии,рассеиваемыеячейкамимодулятора, различны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
